LỜI MỞ ĐẦU Không biết trong mỗi ngƣời đã có ai từng nghĩ đến việc nền văn minh của chúng ta đã phát triển mạnh mẽ từ giai đoạn nào chăng? Theo tôi thì đó là khi con ngƣời biết tạo ra điện, một nguồn năng lƣợng mà ngày nay có mặt hầu hết trong mọi lĩnh vực. Chúng ta có thể hình dung đơn giản từ việc học của mình nếu không có điện thì làm sao mỗi ngƣời có đủ ánh sáng học tập, nghiên cứu, việc mà những thế hệ đi trƣớc đã không có đƣợc. Nguồn sáng mà họ có chỉ là những ngọn đèn dầu. Điện giúp cho việc chuẩn bị những bữa ăn của mỗi gia đình mất ít thời gian hơn nhờ các thiết bị nhƣ ấm điện, nồi cơm điện.
Điện nhƣ một “ngƣời bạn đồng hành” của nhiều nhà máy, xí nghiệp. Lý do chọn đề tài Do sự ảnh hƣởng lớn trên mà nguồn nguyên liệu để sản xuất điện và thiết bị để xử lý nguồn nguyên liệu nhƣ than, xăng, nƣớc, gió đã đƣợc quan tâm một cách đặc biệt. Trong khi các nguồn nhƣ gió, mặt trời, nƣớc hay năng lƣợng hạt nhân lại gặp những khó khăn nhất định. Bên cạnh đó, vấn đề môi trƣờng lại nổi lên khi khí độc đƣợc thải ra làm ô nhiễm và khiến nhiệt độ thay đổi quá nhanh.
Vì vậy, một thiết bị “đa năng” và một nguồn nguyên liệu dồi dào đã đƣợc tập trung tìm kiếm và nghiên cứu. Cuối cùng tất cả sự chú ý đã đổ dồn về pin nhiên liệu. Theo dòng thời gian thì loại pin nhiên liệu sử dụng Metanol trực tiếp (Direct methanol fuel cell - DMFC) xuất hiện và đang rất thịnh hành. Tuy hệ thống đôi khi vẫn tạo ra khí cacbonic nhƣng lƣợng khí thải ra không đáng kể.
Yếu tố xúc tác trong pin nhiên liệu sử dụng metanol trực tiếp là vấn đề đƣợc đặt lên hàng đầu và quan tâm hơn cả. Chất xúc tác đã đƣợc nghiên cứu và phổ biến nhất là platin. Qua đề tài:“ Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano Pt/Carbon ứng dụng cho pin nhiên liệu methanol trực tiếp” tôi hy vọng sẽ góp phần trong việc đƣa nguồn năng lƣợng điện “sạch” này vào ứng dụng một cách rộng rãi cho cuộc sống năng động ngày nay. Tình hình nghiên cứu về đề tài - Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2 Tính chất của chất mang và điều khiển kích thƣớc hạt nano là hai việc đƣợc quan tâm nhất trong quá trình điều chế.
Nguồn chất mang đƣợc xử lý bằng nhiều loại hóa chất nhƣ KOH [3], H2O2 [10], Ozon [15] và HNO3 [13]. Vary đã nghiên cứu ảnh hƣởng của chất mang khi xử lý bằng ozon và chất xúc tác là hợp kim của Pt-Ru trên pin nhiên liệu methanol trực tiếp [15]. H2O2 là hóa chất dùng để xử lý nguồn carbon đen mà nhóm Marcelo Carmo sử dụng năm 2007. Nhóm này đã dùng chất mang này cho thiết bị pin nhiên liệu dạng màng [10].
Y đã điều khiển kích thƣớc hạt nano platin và gắn chúng lên chất mang carbon nanotubes giúp cho quá trình oxy hóa methanol [5]. Năm 2010, Chaoxing He và cộng sự đã dùng hóa chất KOH để xử lý nguồn carbon và gắn hạt nano platin hỗ trợ cho phản ứng oxy hóa khử [3]. Senthil Kumar và cộng sự đã nghiên cứu về ảnh hƣởng của kích thƣớc hạt nano platin trên nguồn carbon Vulcan XC-72R đã xử lý cho phản ứng oxy hóa khử [13]. - Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Trong nƣớc, việc nghiên cứu này cũng mới đƣợc tiến hành trong những năm gần đây ở các trƣờng Đại học Khoa học Tự Nhiên ở TP.
Hồ Chí Minh và Hà Nội cũng nhƣ Viện vật lý TP. Hồ Chí Minh Mục tiêu nghiên cứu Chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa, chế tạo vật liệu nano Pt/Carbon (thay đổi các thông số hàm lƣợng của H2PtCl6 , pH, nhiệt độ, xử lý nguồn Carbon) Khảo sát tính chất xúc tác điện hóa bằng phƣơng pháp đo điện thế dòng tuần hoàn trên phản ứng oxyhóa methanol, Khảo sát các tính chất lý hóa: XRD, TEM, BET, để xác định kích thƣớc hạt, diện tích bề mặt của hệ xúc tác 3 Nội dung nghiên cứu Vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon Vulcan XC-72R đƣợc chế tạo bằng phƣơng pháp polyol. Etylen glycol là rƣợu đa chức đƣợc sử dụng cho quá trình khử platin từ Pt4+ về Pt0. Bên cạnh đó, một số yếu tố ảnh hƣởng cũng đƣợc khảo sát nhƣ hàm lƣợng của H2PtCl6 , môi trƣờng pH, nhiệt độ xử lý nguồn carbon Vulcan XC-72R, tính chất của nguồn Carbon.
Vật liệu đã chế tạo đƣợc mang khi khảo sát tính chất xúc tác điện hóa trên máy Autolab-PGSTAT302N, với hệ thống ba điện cực: điện cực làm việc (WE), điện cực đối (CE) và điện cực so sánh (RE). Đầu tiên, làm sạch điện cực với dung dịch H2SO4 0,5M. Quá trình quét đƣợc tiến hành 2 lần với các vận tốc là 100mV/s, 50mV/s trong khoảng thế từ 0-1V và quét 1 vòng. Quét thế tuần hoàn để khảo sát hoạt tính xúc tác của vật liệu.
Khoảng thế từ 0-0,9V, dung dịch H2SO4 0,5M đƣợc thay bằng hỗn hợp dung dịch H2SO4 0,5M + CH3OH 1M. Ngoài 2 lần quét nhƣ trên, mẫu đƣợc quét thêm 1 lần với vận tốc 10 mV/s. Vật liệu sẽ đƣợc khảo sát tính chất hóa lý thông qua một số máy móc hiện đại nhƣ máy BET để đo diện tích bề mặt, TEM để xác định kích thƣớc hạt nano trên bề mặt chất mang, FE-SEM xác định hàm lƣợng tiền chất trong mẫu và khi điều chế có phù hợp với nhau và XRD giúp ta kết luận đƣợc sự có mặt của các tinh thể platin và carbon trong mẫu. Phƣơng pháp nghiên cứu Xây dựng quy trình chế tạo vật liệu xúc tác điện hóa nano platin trên carbon Vulcan XC-72R, với tiền chất là axit Chloplatinic (H2PtCl6.6H2O), chất khử là Etylen glycol trong các môi trƣờng pH từ 6,5 đên 11,3.
Xử dụng các phƣơng pháp phân tích hiện đại nhƣ XRD, FE-SEM, TEM, BET. Bố cục Chƣơng 1: Tổng quan Chƣơng 2: Thực nghiệm Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận 4 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PIN NHIÊN LIỆU VÀ XÚC TÁC ĐIỆN CỰC TRONG PIN NHIÊN LIỆU METANOL TRỰC TIẾP 1.1 Tổng quan về pin nhiên liệu 1.1 Khái niệm về pin nhiên liệu Pin nhiên liệu là một hệ thống dùng để biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng bằng quá trình oxy hóa nguyên liệu. Thành phần nguyên liệu trong pin nhiên liệu bao gồm nguồn cung cấp ion nhƣ: hydro (H2), metan (CH4), metanol (CH3OH), etanol (C2H5OH)…và oxy lấy từ không khí. Sản phẩm của quá trình chuyển hóa này gồm có nhiệt, điện năng, nƣớc và khí cacbonic.
Sau đây là một hệ thống đơn giản của pin nhiên liệu: Hydro, metanol. oxy Pin nhiên liệu Điện + cacbonic nƣớc Hình 1.1 Sơ đồ một pin nhiên liệu Nhƣ đã nói ở trên, pin nhiên liệu biến đổi trực tiếp hóa năng thành điện năng thông qua phản ứng H2 + O2 H2O + dòng điện, nhờ tác động của những chất xúc tác nhƣ: màng platin nguyên chất, hỗn hợp platin với kim loại khác và một số chất điện phân nhƣ kiềm, muối cacbonat, oxit rắn… bản chất thực sự của nó tƣơng tự nhƣ pin điện hóa.2 Lịch sử hình thành và phát triển của pin nhiên liệu Đầu thế kỷ XIX, đã có nhiều nhà khoa học đƣa ra khái niệm về pin nhiên liệu tiêu biểu trong số đó là Humphry Davy. Năm 1839, William Grove, một nhà hóa học, vật lý, luật sƣ và là ngƣời đầu tiên phát minh ra Acqui khí (Gas battery). Ông đã tiến hành một loạt thí nghiệm mà ông gọi nó là pin Volta khí, và cuối cùng đã chứng minh rằng dòng điện có thể 5 đƣợc sản xuất từ một phản ứng điện hóa học giữa hydro và oxy trong một chất xúc tác bạch kim (Platin).
Năm 1889, Charles Langer và Ludwig Mond đã tiếp tục phát triển thành quả mà trƣớc đó William Grove đã làm đƣợc. Họ đã thay thế nguồn hydro bằng khí than và họ cũng là những ngƣời đầu tiên đƣa ra thuật ngữ “Pin nhiên liệu” (Fuel cell). Tuy nhiên, do còn nhiều hạn chế nên những nghiên cứu của họ không đƣợc ứng dụng rộng rãi. Năm 1932, Giáo sƣ Francis Bacon đã tiếp tục phát triển thêm mô hình bằng cách thay thế điện cực Platin bằng Niken và thay chất điện giải axit sulphuric bằng một chất ít ăn mòn là Kali hydroxyt (KOH).
Ông đã đặt tên cho sản phẩm này là pin Bacon (Bacon cell). Đây cũng là loại pin nhiên liệu kiềm đầu tiên. Những năm 1950, một khái niệm rất mới là pin nhiên liệu màng trao đổi proton (PEMFC) đã xuất hiện và trong giai đoạn này pin nhiên liệu thật sự đƣợc nhiều lĩnh vực quan tâm hơn đặc biệt là lĩnh vực vũ trụ. Sở dĩ nhƣ vậy là do một số nguyên nhân đã gặp phải khi sử dụng những nguồn năng lƣợng khác nhƣ trọng lƣợng khá lớn của acquy, năng lƣợng hạt nhân thì nguy hiểm còn năng lƣợng mặt trời thì vẫn còn khá mới lạ.
Vào những năm 1960, pin nhiên liệu đã đƣợc đƣa vào ứng dụng trong lĩnh vực quân sự và nó đƣợc sử dụng để cung cấp điện trên những loại tàu ngầm thời đó. Tiếp sau nó đƣợc Liên Xô đƣa vào chƣơng trình không gian có ngƣời lái. Những năm 1970 đến 1980, ảnh hƣởng của cuộc khủng hoảng năng lƣợng cùng với những nhận thức sâu sắc về việc bảo vệ môi trƣờng, đã thúc đẩy nhiều tổ chức nghiên cứu và dùng pin nhiên liệu nhƣ một nguồn năng lƣợng hữu ích, nhằm thay thế những loại năng lƣợng có chi phí rất cao và khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng lớn kia. DMFC cũng đã xuất hiện và phát triển trong khoảng thời gian này.
Đầu những năm 1990, pin nhiên liệu đã tiến lên thêm một bƣớc mới. Nếu nhƣ trƣớc đây hầu nhƣ ứng dụng chủ yếu trong những lĩnh vực nông nghiệp và một ít về không gian thì ở giai đoạn này nó đƣợc đƣa vào một lĩnh vực rất quan trọng đó là công nghiệp. Giai đoạn cũng gắn liền với sự chuyển công nghệ từ PEMFC 6 (Proton exchange membrance fuel cell - PEMFC) sang SOFC (Solid oxide fuel cell - SOFC), đồng thời cũng nhem nhóm lên khả năng thƣơng mại hóa trên thị trƣờng. Ngày nay, nay pin nhiên liệu đã đƣợc thƣơng mại hóa sử sụng một cách rộng rãi trong đời sống hằng ngày, hơn hết trong những phƣơng tiện đi lại.
Nhiều công ty sản xuất ôtô lớn trên thế giới đã đƣa ra những mẫu xe có sử dụng pin nhiên liệu nhƣ: General Motor, Ford (Mỹ), Daimler Benz (Đức), Renaul (Pháp), Toyota, Nissan, Honda .
